Электромагнитное излучение в медицине.

Основные направления (тенденции) современной радиотехники: проникновение идей радиотехники в медицину

Введение.

Не так давно исполнилось 100 лет со дня первого в мире применения электромагнитных волн в практических целях. 6 февраля 1900 года русский физик, изобретатель радио Александр Попов, узнав о несчастье — 27 рыбаков было унесено в Балтийское море на оторванной льдине, — дал на 50-километровое расстояние радиодепешу на остров Гогланд, у которого стоял ледокол «Ермак», — срочно выйти в море на поиски потерпевших. Так благодаря «чуду новейшей техники» были спасены люди.

Прошедшие сто лет явились истинным триумфом использования электромагнитной энергии человеком. Трудно представить современную жизнь без радио, телевидения, радиолокации, интернета. Но вся эта техника берет свое начало от тех скромных первых опытов великого русского ученого.

Оказалось, что, преобразуя электромагнитные волны (чем занимается современная радиотехника) можно сделать звук видимым, а свет слышимым. Современные физики ведут борьбу за освоение новых, более коротких длин электромагнитных волн, новые диапазоны которых открывают невиданные возможности. Идеи радиотехники находят широкое применение во многих областях человеческой деятельности, в том числе и медицине.

Электромагнитное излучение в медицине.

После изобретения радио по мере создания все более мощных радиопередатчиков у людей, работающих на радиостанциях, стали наблюдаться странные явления; отмечались главным образом нарушения нервной системы, а у лиц, долгое время работающих на радиостанции, часто повышалась температура. Поскольку эти симптомы не были связаны с какими-либо соматическими заболеваниями, возникла догадка, что они обусловлены радиоволнами. Это явление получило название «радиолихорадки».

Ученых прежде всего интересовал механизм действия электромагнитных излучений на живой организм. В ту пору уже были известны электрические процессы, происходящие в живом организме, поэтому логически напрашивался вывод, что организм, в котором возникают электрические явления, не может оставаться безучастным по отношению к внешнему электромагнитному полю. Ученые давно знали, что удар тока вызывает сокращение мышц. Кроме того, было показано, что организм человека наиболее чувствителен к току частотой 50-100 Гц, а к токам более высоких или более низких частот чувствительность снижается. Следовательно, радиопередатчики, работающие на частоте нескольких сотен кило- и даже мегагерц, не должны были вызывать раздражения. Однако этому выводу противоречили симптомы, отмечающиеся у сотрудников радиостанций.

Из физики известно, что если радиоволны поглощаются какой-то средой, то электромагнитная энергия превращается в тепловую и среда нагревается. Поскольку электромагнитное излучение вызывает повышение температуры у живого организма, ученые предположили, что неприятные ощущения людей обусловлены повышенным образованием тепла в результате воздействия электромагнитного излучения. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально (в ее пользу также служил тот факт, что во время второй мировой войны солдаты, обслуживающие радиолокационные устройства, обнаружили, что микроволновое излучение радиолокаторов действует согревающе: в зимнее месяцы люди обогревали в пучке излучения радиолокатора озябшие руки). Одновременно некоторые прозорливые исследователи осознали пользу, которую может принести тепловой эффект радиоизлучения для лечения больных.

Общий недостаток традиционных способов лечения теплом обусловлен тем, что тепловая энергия поступает в организм из источника тепла, находящегося вне его, путем теплопередачи. Это обуславливает неравномерное распределение тепла между тканями; согревается главным образом внешняя поверхность (кожа) и прилегающая к ней жировая клетчатка, тогда как температура более глубоких тканей и органов (мышц, сухожилий) практически не изменяется, хотя, как правило, именно они нуждаются в воздействии тепла. Чтобы на несколько градусов повысить температуру в глубоко расположенных тканях, на поверхность тела следовало бы поместить источник тепла с температурой 70-800С. По вполне понятным причинам это невозможно из-за опасности ожогов и сильной боли (нервные окончания, воспринимающие боль, находятся в поверхностном слое кожи). Использование радиоизлучения высоких частот позволяет добиваться повышения температуры внутри организма и осуществлять более глубокий прогрев тканей.

Один из методов, которые используется в медицине, — метод конденсаторного поля. Участок тела, нуждающийся в прогревании, располагают между двумя металлическими электродами, не соприкасающимися с телом. Расположенные друг против друга электроды ведут себя как две пластины плоского конденсатора, а через конденсатор может проходить ток высокой частоты.

Однако, все же этот способ непригоден для прогревания глубоко расположенных тканей. Как показали эксперименты, электромагнитное излучение проникает в тело тем глубже, чем выше частота излучения. Ученые доказали, что излучение радиолокационных устройств, работающих на частоте 2500 МГц, пригодно для терапии. Поскольку это излучение попадает в микроволновый диапазон, лечебный метод, основанный на их использовании, получил название микроволновой терапии.

Аппараты микроволновой диатермии позволяют прогреть находящиеся в глубине ткани в большей или по крайней мере в такой же степени, как и кожный покров. Применяются преимущественно для лечения ревматических заболеваний.

Высокочастотные аппараты диатермии пригодны и для «атермической» терапии, т.е. терапии, не связанной с повышением температуры тела. При этой процедуре в организме больного образуется такое незначительное количество тепловой энергии, которое не дает тепла. Этот метод особенно благоприятно действует при острых воспалительных процессах. Известно также, что по окончании такого лечения в облученных участках еще долго сохраняется расширение сосудов; это улучшает кровообращение в очаге воспаления.

Радиотелеметрия.

В наше время запуск космических кораблей стал почти повседневным занятием. В том случае, когда на борту корабля находятся космонавты, прежде всего интересует состояние их жизненно важных функций. Центр управления полетами получает подробную информацию о давлении, частоте пульса и дыхания, температуре тела астронавта и т.д. посредством телеметрии. (Измерение на расстоянии посредством радиоволн называется радиотелеметрией).

Диагностика на расстоянии играет поэтому очень важную роль. Разработка телеметрических приборов является одной из задач современной радиотехники. Рассмотрим как действует один из таких приборов (электрокардиограф):

Потенциал действия сердца улавливается электродами, прикрепленными к различным точкам грудной клетки. Усилитель электрокардиографа воспринимает биотоки сердца. Усиленные сигналы поступают в модулятор передатчика, а модулированные ими высокочастотные электромагнитные колебания посылаются антенной в пространство. Антенна приемного устройства улавливает радиоволны, которые демодулятором приемного устройства преобразуются в первоначальные ЭКГ-сигналы. Таким образом получают обычную электрокардиограмму. Максимальное расстояние между передающим и принимающим устройствами зависит от мощности передатчика и чувствительности приемника. Радиус действия обычных телеметрических устройств от нескольких десятков метров до нескольких километров.

Очевидно, что телеметрические устройства значительно сложнее обычных измерительных приборов, при этом они должны иметь небольшие размеры и быть транспортабельными. Благодаря достижениям современной радиотехники создание портативных медицинских аппаратов и приборов сейчас не представляет особых проблем. Иными словами, телеметрия в наши дни нужна не потому, что без нее нельзя осуществить непосредственную связь между больным и медицинской аппаратурой. Основным достоинством этого метода является возможность получения достоверных, объективных результатов. Каждому известно из собственного опыта, что даже простейшее медицинское обследование не проходит бесследно для больного, и вполне вероятно, что его волнение скажется на результатах измерения. Искажения результатов, вызванных психологическими факторами, можно избежать, если производить исследование не в присутствии врача, а при помощи телеметрического прибора. Передающее устройство прикрепляют к больному, который находится в палате или, например, прогуливается по больничному саду, а врач при помощи принимающего устройства следит за интересующими его жизненными функциями.

В некоторых случаях патологические изменения не удается установить традиционными методами исследования. Так, случается, что электрокардиограмма, снятая у лежачего больного может не показать отклонений, хотя больной жалуется на сердце. Причина чаще всего заключается в том, что боли проявляются лишь при физической нагрузке, но обычный электрокардиограф не позволяет снять кардиограмму у движущегося больного.

Биотелеметрические приборы важны также в тех случаях, когда непосредственный врачебный осмотр не представляется возможным, например во время космического полета. Сказанное справедливо и для спортивной медицины: в задачу врача входит определить переносимость нагрузок спортсменом во время тренировок. Без телеметрического прибора это возможно лишь при условии, что спортсмен на время прервет тренировку, а врач зафиксирует данные исследования. Однако такой способ не позволит определить, что, например, произошло со спортсменом, который вынужден был прервать бег на длинную дистанцию, ибо к моменту прибытия врача физиологические параметры бегуна уже изменились.

Гораздо более достоверные данные можно получить, если к бегуну прикреплен миниатюрный телеметрический датчик. При этом врач при помощи принимающего устройства в состоянии следить за сердечной деятельностью спортсмена (частотой пульса, данным ЭКГ и т.д.). Телеметрический метод исследования позволяет спортивному врачу проследить за состоянием спортсмена на тренировках и в нужное время подвести его к наилучшей спортивной форме. Многими выдающимися достижениями последних лет спортсмены, несомненно, обязаны тому, что во время тренировок они пользовались телеметрическими устройствами.

Широкому внедрению биотелеметрического метода препятствует относительно высокая стоимость приборов. Кроме того, данные, полученные телеметрическим путем во время движения исследуемого, не всегда поддаются обычным методам расшифровки. Однако, эти недостатки устранимы и можно смело утверждать, что введение телеметрического метода в медицинскую практику открывает новые возможности ранней и точной диагностики заболеваний.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

— корпускулярное ионизирующее излучение, состоящее из потока свободных электронов. В медицине электронное излучение используют для электронной терапии (см. ), радиоизотопной диагностики (см. ), а также в медико-биологических исследованиях, в том числе проводимых с помощью электронной микроскопии (см. ).

Электрон

(греческий elektron янтарь) — стабильная элементарная частица (см. Элементарные частицы), открытая Томсоном (J. J. Thomson) в 1897 году. Электрон является самой легкой из частиц, обладающих массой покоя. Его масса покоя m=9,109·10-31 кг, что соответствует энергии 0,511 Мэв. Заряд электрона е = —1,602·10-19 k, спин (s) в единицах Планка равен 1/2 или 1/2 · (h/2π) где h — постоянная Планка, равная 6,626·10-34 дж·сек. Магнитный момент электрона μe = (e·h) / (4πmc) = 9,274·10-24 дж·тл-1, где c — скорость света.

Электроны входят в состав атомов (см. Атом) и молекул (см. Молекула), нейтрализуя положительный заряд ядер и образуя электронные оболочки, расположенные вокруг них. Строение электронных оболочек атома и квантово-механические особенности движения атомных электронов определяют оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства вещества. Источниками свободных электронов в природе являются космическое излучение (см. ), распад некоторых элементарных частиц, бета-распад (см. ). Свободные электроны могут испускаться также при возбуждении атомов среды путем подведения энергии различной природы, напр. нагревания (термоэлектронная эмиссия), облучения среды электронами, ионами (см. ) или фотонами (электронная, ионная и фотоэлектронная эмиссия, образование пар ионов).

Электронное излучение, организованное в электронные пучки, получают на ускорителях заряженных частиц (см. ) различного типа. Наибольшее распространение в исследованиях электронное излучение широкого спектра энергий (от нескольких мегаэлектрон-вольт до ~ 20 Гэв) получили линейные ускорители.

Проходя через вещество среды, электроны взаимодействуют с его атомами. К таким процессам взаимодействия относят упругое рассеяние и торможение в кулоновском поле ядра, которое ведет к так называемому тормозному излучению (см. ); неупругое рассеяние на электронах атомов среды и возбуждение этих атомов (см. Молекула, возбужденные состояния молекул); ядерные реакции (см. ). Упругое рассеяние не изменяет энергии первичного электронного излучения, однако играет важную роль в расширении поперечных размеров электронного пучка по мере прохождения его через среду. Основными процессами, приводящими к потере энергии электронного излучения, являются неупругое рассеяние и возбуждение атомов вещества среды, а также торможение электронов в поле ядер атомов вещества среды. В области значений энергии электронное излучение от 0, 1 до ~ 1, 5 Мэв ионизационные потери (в г. /см2) на единицу длины пути пропорциональны электронной плотности среды и обратно пропорциональны квадрату скорости частиц. Линейная передача энергии (см. ), то есть средняя энергия, поглощаемая средой в месте прохождения заряженной частицы, отнесенная к единице ее пути, при торможении электрона в поле ядра атома среды пропорциональна n * Z2 * T, где Т — кинетическая энергия электронного излучения, Z — эффективный атомный номер среды, n — число атомов в 1 см3 среды.

Энергия, при которой ионизационные потери энергии электрона равны радиационным (потери энергии на излучение при торможении), называется критической (см. Ионизирующие излучения). При энергии электронного излучения выше критической радиационные потери представляют основной вид потери энергии. Потери энергии электронного поля на ионизацию и тормозное излучение в воде (тканях организма) составляют соответственно 0, 225 и 0, 0196 кэв/мкм (Т = 10 Мэв), 0, 241 и 0, 0475 кэв/мкм (Т = 20 Мэв), 0, 264 и 0, 139 кэв/мкм (Т = 50 Мэв).

Пробег электрона в среде R (см) зависит от плотности среды р (г/см3) и энергии электрона (Мэв). В области энергий электронное излучение от 1,5 до 35 Мэв зависимость R от Т с ошибкой менее ±5% описывается эмпирическим соотношением pR=0,51T — 0,26. Для клинических целей важными характеристиками пространственного распределения дозы или мощности дозы электронного излучения в облучаемой среде (см. Дозное поле) являются распределения поглощенной дозы в воде или биол. ткани (см. Изодозы).

Биологическое действие электронного излучения аналогично действию гамма-излучения (см.) и тормозного излучения той же энергии (см. Ионизирующие излучения, биологическое действие).

См. также Бета-излучение.

Библиогр.:

Козлов А. П. и др. Сравнение биологической эффективности электронов 20 Мэв и рентгеновского излучения 200 кв по образованию хромосомных аберраций в клетках опухоли Эрлиха, Радиобиология, т. 14, в. 4, с. 536, 1974; Экспериментальная ядерная физика, под ред. Э. Сегре, пер. с англ., т. 1, с. 143, М., 1955; Johns Н. Е. a. Cunningham J. R. The physics of radiology, Springfield, 1983; Textbook of radiotherapy, ed. by G. H. Fletcher, Philadelphia, 1980.

А. П. Козлов.

Электромагнитные излучения: источники и причины

Знаете, почему для связи используются избранные длины волн? Лакомые участки электромагнитного излучения забирают военные, государство. Условия распространения неоднородные. Допустим, сонары работают на длинах волн 20 метров. Связные частоты быстро гасятся водой.

Почему микроволновые печи, сотовые телефоны, Wi-Fi используют строго определенные участки спектра? Волны затухают в тумане. Платим, чтобы послания быстро поглощались средой, водой, организмом, содержащим 60 – 65% воды.

Пока держим рукой трубку телефона, наберемся электромагнитной энергии. Принцип действия микроволновой печи. Решили провести эксперимент: нашли в магазине бесконтактную отвертку-индикатор со световой, звуковой сигнализацией, исследовали домашнюю печь СВЧ. Проделали следующее:

Типичный мастер исследования

Магнетрон выключается на малую мощность, завышенные режимы избегали использовать. Излучение было минимальным, меньше модель СВЧ-печи не выставляет.
В первой части опыта микроволновка подключена к розетке, снабжена защитным заземлением, оформленным по европейским стандартам. Видно, сверху спускается кабель-канал, допускается стандартами.
Во второй части опыта использован удлинитель, лишенный лепестков заземления. Получилось нарушение технологии европейских стандартов. Смотрите результат, вызванный электромагнитным излучением.

Напоминаем, бесконтактная отвертка-индикатор внутри корпуса содержит активные усилительные элементы, работающие от простенькой батарейки. Принимает слабые сигналы внешних источников. Принцип действия напоминает советскую отвёртку-индикатор. Фаза находится прикосновением к токонесущей части. Однако активная усилительная часть вводит немалые коррективы:

Благодаря высокой чувствительности, щуп бесконтактной отвертки-индикатора работает, подражая приемной антенне.
Чутко реагирует на диапазон 50 Гц в силу предназначения. При контактном способе регистрируется наличие фазы всегда, на дистанции засекается только электромагнитное излучение, образуемое движением тока. Провод без нагрузки сигнала не даст.
Отвертка-индикатор демонстрирует 2-3 диапазона чувствительности (см. фото). В нашем случае использован максимальный для пущей наглядности.

Кнопка установки чувствительности

Результаты опыта потрясающие, действие электромагнитного излучения представлено снимками:

Первое фото показывает: защита против электромагнитного излучения реализуется путем подключения прибора в оборудованную по правилам европейской розетки. Корпус, будучи заземлен, образует экран. Иначе половина излучения пойдет наружу, вторая вредит внутри печи СВЧ, вызывая паразитные эффекты.
Розетка с заземлением
Второе фото показывает: в случае верного подключения отвертка-индикатор на высоком уровне чувствительности молчит, будучи приближена вплотную к корпусу. Означает, уровень электромагнитного излучения пренебрежимо мал, воздействие на организм не отмечается.
Отсутствие электромагнитного поля
Следующее фото демонстрирует старенький удлинитель, где отсутствует лепесток заземления. Правильно поставленная европейская розетка теперь бездействует. Результат поразителен! Прибор дает столь сильные электромагнитные поля, чувствуются на удалении 30 см (минимум) от микроволновой печи. Показали на снимке световую индикацию зеленого огонька (не значит «безопасно»), от трещотки-зуммера отвертки-индикатора можно оглохнуть.

Подключение без заземления

Наличие электромагнитного поля

Делайте выводы. Влияние на человека излучения 2,4 ГГц давно доказано (оспорено судом, права исследователя восстановлены следующей инстанцией), длина волны печи СВЧ та самая, энергия столь велика (без заземления), что вызывает срабатывание индикатора на значительном расстоянии. Потрудитесь прокладывать электрику, как предписывают стандарты. Розетки следует оборудовать лепестками заземления, чтобы корпус техники подавлял воздействие электромагнитных излучений, служа экраном.